利用微型逆變器優(yōu)化太陽能系統(tǒng)的設(shè)計

對廉價控制器來說，除了MCU本份的正?？刂乒δ芡?，執(zhí)行MPPT算法絕非易事，該算法需要這些控制器具有高超的計算能力。諸如德州儀器C2000平臺系列的先進32位實時微控制器就適合于各種太陽能應(yīng)用。

電源逆變器

使用單個逆變器有許多好處，其中最突出的是簡單和低成本。采用MPPT算法和其它技術(shù)提高了單逆變器系統(tǒng)的效率，但這只是在一定程度上。根據(jù)應(yīng)用的不同，單個逆變器拓撲的缺點會很明顯。最突出的是可靠性問題：只要這個逆變器發(fā)生故障，那么在該逆變器被修好或更換前，所有面板產(chǎn)生的能量都浪費掉了。

即使逆變器工作正常，單逆變器拓撲也可能對系統(tǒng)效率產(chǎn)生負面影響。在大多數(shù)情況下，為達到最高效率，每個太陽能電池板都有不同的控制要求。決定各面板效率的因素有：面板內(nèi)所含光伏電池組件的制造差異、不同的環(huán)境溫度、陰影和方位造成的不同光照強度(接收到的太陽原始能量)。

與整個系統(tǒng)使用一個逆變器相比，為系統(tǒng)內(nèi)每個太陽能電池板都配備一個微型逆變器會再次提升整個系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率。微型逆變器拓撲的主要好處是，即便其中一個逆變器出現(xiàn)故障，能量轉(zhuǎn)換仍能進行。

采用微型逆變器的其它好處包括能夠利用高分辨率PWM調(diào)整每個太陽能板的轉(zhuǎn)換參數(shù)。由于云朵、陰影和背陰會改變每個面板的輸出，為每個面板配備獨有的微型逆變器就允許系統(tǒng)適應(yīng)不斷變化的負載情況。這為各面板及整個系統(tǒng)都提供了最佳轉(zhuǎn)換效率。微型逆變器架構(gòu)要求每個面板都有一個專用MCU來管理能源轉(zhuǎn)換。不過，這些附加的MCU也可被用來改善系統(tǒng)和面板的監(jiān)測。

例如，大型的太陽能發(fā)電場就受益于面板間的通信以幫助保持負載平衡并允許系統(tǒng)管理員事先計劃有多少能量可用，以及用這些能量做什么。不過，為充分利用系統(tǒng)監(jiān)測的好處，MCU必須集成片上通信外圍設(shè)備(CAN、SPI、UART等)以便簡化與太陽能陣列內(nèi)其它微型逆變器的接口。

在許多應(yīng)用中，使用微型逆變器拓撲可以顯著提高系統(tǒng)整體效率。在面板級，效率有望提升30％。但由于各應(yīng)用差異很大，系統(tǒng)級改善的“平均”百分比并沒多大意義。

應(yīng)用分析

當評估微型變頻器在具體應(yīng)用中的價值時，應(yīng)從幾個方面考慮拓撲結(jié)構(gòu)。

在小型應(yīng)用中，各面板有可能面臨基本相同的光照、溫度和陰影等條件。因此，微型逆變器在提升效率方面作用有限。

為使各面板工作在不同電壓以獲得最高能效，要求采用DC/DC轉(zhuǎn)換器使各面板的輸出電壓統(tǒng)一于儲能蓄電池的工作電壓。為盡可能降低制造成本，可把DC/DC轉(zhuǎn)換器和逆變器設(shè)計成一個模塊。用于本地電源線路或連接配電網(wǎng)的DC/AC轉(zhuǎn)換器也可被整合進該模塊。

太陽能面板必須要互相通信，這會增加導(dǎo)線和復(fù)雜性。這是對在模塊中包含進逆變器、DC/DC轉(zhuǎn)換器和太陽能電池板的另一個爭論點。

每個逆變器的MCU仍然必須有足夠能力來運行多個MPPT算法以適應(yīng)不同的操作環(huán)境。

采用多個MCU會加大整體系統(tǒng)的材料成本。

每當考慮改變架構(gòu)時都會關(guān)注其成本。為滿足系統(tǒng)的價格目標，為每個面板都配備一個控制器意味著該控制器的成本必須要有競爭力、外形較小，但仍能同時處理所有的控制、通信和計算任務(wù)。

片上集成恰當?shù)目刂仆庠O(shè)以及高模擬集成度是保證系統(tǒng)低成本的兩個基本要素。為執(zhí)行針對優(yōu)化轉(zhuǎn)換、系統(tǒng)監(jiān)控和能量存儲各環(huán)節(jié)中的效率所開發(fā)出的算法，高性能也是必需的。

使用除可滿足微型逆變器本身要求之外，還可處理包括AC/DC轉(zhuǎn)換、DC/DC轉(zhuǎn)換以及面板間通訊等整個系統(tǒng)大部分要求的MCU，可以減少因使用多個MCU所導(dǎo)致的成本增加。MCU特性

仔細權(quán)衡這些高層次要求是確定MCU需要哪些功能的最好方法。例如，當并聯(lián)面板時需要負載平衡控制。所選MCU必須能檢測負載電流以及能通過開/關(guān)輸出MOSFET升高或降低輸出電壓。這需要一個高速片上ADC來采樣電壓和電流。

微型逆變器設(shè)計沒有“一成不變”的模式。這意味著設(shè)計者必須有能力和創(chuàng)新精神采用新技巧、新技術(shù)，特別是在面板間和系統(tǒng)間的通信方面。最合適的MCU應(yīng)支持各種協(xié)議，包括一些平常不會想到的如電力線通訊(PLC)和控制器局域網(wǎng)(CAN)等。特別是電力線通訊，因不再需專門的通信線路，所以可降低系統(tǒng)成本。但這需要MCU內(nèi)置高性能PWM、高速ADC和高性能CPU。

對于針對太陽能逆變器應(yīng)用所設(shè)計的MCU，一個意想不到但極具價值的特性是雙片上振蕩器，它們可用于時鐘故障檢測以提高可靠性。能夠同時運行兩個系